高研磨性地層PDC鉆頭的研究和應用

　　 鉆頭破碎巖石是一個鉆頭和巖石相互發生作用的過程。鉆頭在破碎巖石以后，肯定會受到巖石的反作用力從而發生磨損，進一步會加劇鉆頭的消耗，減低破碎巖石測工作效率，占用較長的下鉆作業時間，從而大大降低鉆井效率[1]。通過大量的實踐證明，PDC鉆頭應用在軟性、中硬度的地研磨性地層中，壽命長、鉆巖的速度快且進尺多；但是PDC鉆頭應用在高研磨性地層中，使用效果很差。下面本文主要針對PDC鉆頭對所鉆地層性質較敏感的特性，探究在高研磨性地層中，如何改進PDC鉆頭設計功能，從而提高應用效果。
　　一、PDC齒設計和檢測技術分析
　　1、加長PDC齒輪廓設計
　　一般情況下，PDC鉆頭切削齒是圓形的，但是通過研究圓形的切削齒發現，如果把復合片進一步加工成為具有長軸和短軸的橢圓形齒狀，把它的橫向尺寸或者縱向尺寸調整到0.68左右，加長齒的有效工作長度，那么將非常有利于提高工作效率。由于復合制造企業生產出來的PDC齒只是簡單地對大尺寸圓形復合片進行了二次加工，其直徑大小通常為8毫米、13毫米、16毫米等系列。但根據高研磨性地層的特征，需要加工出￠19毫米以及￠13毫米這兩種加長齒類型的復合片。
　　2、加長型PDC齒有限元的分析
　　2.1 PDC鉆頭切削齒的直徑對切削力的作用
　　當切削齒的直徑增大時，它所需的鉆壓、扭矩也會同步增大。在同樣的工作條件下，小齒比大齒更易切入巖石層。因為小直徑齒切削刃的曲率高，可以在和巖石的接觸范圍內形成較高的接觸應力，從而進一步促使巖石變形和破壞。在使用PDC齒切削巖石的時候，在破碎巖石體積相等的條件下，齒上面的應力越小，其切削效果越好。但是巖石上面的應力越大，且切削破巖就越有利[2]。通過對圓形以及橢圓形的PDC齒應力場的有限元分析，得到了在不一樣的齒前角情況下，兩種齒的應力場數值。如下表（一）
　　切削齒最大有效應力表（一）
　　從表（一）可知，在齒前角度從14°- 25°切削巖石時，這兩種齒形在切削仿真過程匯總有效應力值的變化會表現為一定的隨機性。這表明了在切削過程中塑性巖石破碎會對PDC齒產生沖擊力導致其中某個部位的應力數值在瞬間達到最大。但是從總體發展情況看，齒前角在14°- 25°內，橢圓形的應力平均值小于圓形的應力平均值，和圓形PDC相比，應力下降了大約40.35%。也就是說，在切削相同面積的巖石時，橢圓形的PDC齒某個局部的最大應力要比圓形PDC齒小很多，而橢圓形PDC齒所要承受的疲勞感應力要比圓形小，故壽命較長。
　　2.2 兩種PDC齒破壞巖石的切削實驗及焊接檢測
　　首先，在切削過程中，PDC齒前角雨大，其相同效果的應力先增大后逐漸減小，但是開始破壞巖石的時候所需要的切削力是先減小隨后增大。隨著切削深度不斷加大，切削力、摩阻應力、在PDC齒上的接觸壓力都會慢慢增大。一般情況下，小直徑齒和大直徑齒相比，具有更高的切削刃曲率，可以在巖石的接觸范圍內產生更高的接觸應力，更易讓巖石發生破壞[3]。
　　其次，橢圓形的PDC齒側面是普通柱面，在焊接過程中難度較大，必須對異形復合片進行焊接試驗，才能保證焊接質量。在對異形復合片的焊接技術進行認真研究的前提下，進行實驗。由于檢測焊接是否牢固需要在材料試驗機上面用待測試件進行抗剪切實驗，所以需要設計、加工出特殊的夾具，進行橫向、縱向檢測兩種實驗，經過實驗得知，采用的異形符合片加工，它的焊接牢固度較好。
　　二、加長型齒PDC鉆頭設計制造技術
　　1、加長型PDC鉆頭的設計
　　為了提高鉆頭在密實層的吃入能力，除了需要充分利用加長齒的吃入能力強的優點外，還需要在鉆頭外面布置大直徑齒設計主切削結構，在中心部位設置小直徑齒的布齒計劃。同時，為了更高層次增強鉆頭在高研磨性地層的工作壽命，需要在鉆頭的主刀翼上面設計后備切削結構和后置齒結構[4]。一般情況下，對于橢圓形PDC采用單一布齒的方法，或者圓形、橢圓形PDC齒混合布齒的方法，從而保證鉆頭使用時間的同時提高鉆頭的攻擊性。
　　2、加長型PDC鉆頭的制造
　　對于高研磨性地層，PDC鉆頭需喲啊采用胎體式的結構和制造方法。在制造這種異形加長齒鉆頭中會遇到很多新問題。例如：異形加長PDC復合片的加工、異形加長PDC復合片的焊接以及與之相匹配的特殊模具的制造等問題。在加工鉆頭之前，需要對上述每個問題進行深入的現場研究，尤其是要對加長型PDC符合片的焊接質量進行嚴格檢驗，以避免在使用鉆頭的過程中出現因為質量差而引起的掉齒現象。
　　三、現場的應用效果分析
　　1、現場使用概況
　　選擇具有典型代表性的高研磨性地層井段作為實驗對象，這段地層的主要特征是以砂巖、泥頁巖為主，可鉆性很差。在實際鉆井過程中，井段長約4095米，進尺83.27米，凈使用鉆時間達到53.95小時，采用機械的平均轉速達到1.59米/時。
　　2、應用效果分析
　　在開始鉆時，鉆壓小，轉速也較低，所以鉆速很慢，進入正常作業階段后，鉆速明顯加快，機械鉆速能夠達到3米/時。但隨后，鉆速又開始下降。主要是因為切削齒發生了磨損，地層的環境條件越來越差。除了在磨合環節外，鉆壓基本保持在74-119kN范圍內，但是切削齒發生磨損以后，雖然磨損量小，但是鉆頭明顯變鈍，攻擊性下降。這是就需要增加鉆壓，但需進一步降低轉速[5-6]。
　　此外，在使用過程中，同一刀翼的外錐部的兩顆臨齒都出現了斷裂情況，表明不是因為切削齒的自身質量問題，而是由于外界工作條件的影響。根據現場的實際情況，導致PDC齒異常斷裂的主要原因是因為在不正常蹩卡情況下，導致局部過載時效。
　　結語
　　橢圓形的局部最大應力和圓形齒相比，較小，破壞的幾率較小，切削的效率較高，在切削過程中，需要的破壞巖石的能量較低。且具有長軸和短軸的橢圓形PDC齒的鉆頭具有很強的攻擊性，短軸的設計又能提高其工作壽命。進一步把橢圓齒和常規圓形齒混合布齒，可以有效提高鉆頭在高研磨性地層的吃入能力。但是在實驗過程中出現了牙齒崩落的現象，說明了需要進一步加強對鉆頭切削齒抗沖擊力的研究工作。